納米材料與環(huán)境污染物的復(fù)合毒性

李雅軒，門彬，何怡，劉美琪，王東升

1. 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

1 納米材料的排放和毒性(The emission and toxicity of nanomaterial)

納米材料是指任何一維幾何尺寸為納米尺度(1～100 nm)的材料，種類包括碳質(zhì)納米材料、零價(jià)金屬納米材料、納米級(jí)金屬氧化物、量子點(diǎn)和納米聚合物[1]。隨著納米技術(shù)高速發(fā)展，納米材料在開發(fā)和應(yīng)用過程中，將通過水(直接排放和污水處理廠出水)、土壤(直接排放和徑流及水廠剩余污泥)和大氣(直接排放和焚燒納米產(chǎn)品)等途徑大量進(jìn)入自然環(huán)境[2]。因具有獨(dú)特而優(yōu)異的性質(zhì)(如尺寸小、比表面積大、表面活性高等)，納米材料在生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境污染治理等諸多領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，同時(shí)納米材料也具有異于同類常規(guī)材料的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[3]。納米材料潛在的環(huán)境、健康與安全問題已受到廣泛關(guān)注，大量研究表明納米材料在生物個(gè)體、組織、細(xì)胞和分子水平均會(huì)產(chǎn)生毒性，例如：引起生物死亡、發(fā)育毒性、器官損傷、生物大分子活性異常、DNA損傷等。

除了自身具有毒性，由于納米材料比表面積大、表面疏水性強(qiáng)，對(duì)環(huán)境中的污染物有很強(qiáng)的吸附能力，其與環(huán)境污染物的相互作用可能會(huì)改變彼此的物理化學(xué)性質(zhì)以及在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生較二者獨(dú)立存在時(shí)更復(fù)雜的生物效應(yīng)。因此，研究納米材料與環(huán)境污染物復(fù)合污染的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和生態(tài)效應(yīng)，是完善納米材料安全評(píng)價(jià)體系的重要環(huán)節(jié)。

2 納米材料復(fù)合毒性的研究方法(The research method of nanomaterial combined toxicity)

根據(jù)污染物的毒性機(jī)制選擇相應(yīng)的生化指標(biāo)，在納米材料的復(fù)合暴露條件下檢測(cè)這些指標(biāo)與污染物單獨(dú)暴露時(shí)的區(qū)別，是納米復(fù)合污染生物毒性的重要研究方法。本文結(jié)合已有納米材料復(fù)合毒性的技術(shù)路線和實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)研究思路進(jìn)行了總結(jié)。

生物毒性實(shí)驗(yàn)中首先選擇適合的生物體進(jìn)行暴露，受試體的種類主要包括細(xì)菌、細(xì)胞、植物、無(wú)脊椎動(dòng)物、哺乳動(dòng)物等。不同受試體決定了復(fù)合暴露的方法，主要包括培養(yǎng)介質(zhì)染毒、填喂、注射等。

表1 納米材料復(fù)合污染常用生物指標(biāo)Table 1 Common biomarkers used for combined toxicity of nanomaterial research

圖1 納米材料細(xì)胞毒性指標(biāo)之間的聯(lián)系[21]Fig. 1 The relationship between cytotoxic biomarkers of nanomaterials [21]

根據(jù)不同的研究目的和污染物的毒性機(jī)制，要選擇有代表性和效應(yīng)相對(duì)明確的生物指標(biāo)，這涉及到生物積累水平、生物個(gè)體活性、生物大分子水平。總結(jié)納米材料復(fù)合毒性研究中采用的生物指標(biāo)列于表1，并且添加了幾種毒性研究常用的指標(biāo)以及先進(jìn)的表征技術(shù)方法。從納米材料遷移的角度檢測(cè)其在生物體內(nèi)的分布，是研究納米材料影響污染物生物積累和毒性的基礎(chǔ)方法之一，這需要先進(jìn)有效的定性和定量的表征方法。最近發(fā)展了一種在復(fù)雜介質(zhì)中鑒定與表征金屬納米材料尺寸的方法，其技術(shù)是采用毛細(xì)管電泳與電感耦合等離子體質(zhì)譜在線聯(lián)用(CE-ICP-MS)[10]。測(cè)定生物體內(nèi)碳納米材料的方法也有新的研究進(jìn)展，場(chǎng)流分離法(FFF)可用于分離碳納米管和生物大分子[11]，近紅外熒光光譜(NISF)利用單壁碳納米管(SWCNT)的半導(dǎo)體特性能實(shí)現(xiàn)濃度檢測(cè)[12]，并且可用于活體觀測(cè)SWCNT在生物體內(nèi)的分布[13]。

不同層次生物指標(biāo)之間是相互聯(lián)系的，例如圖1中列出了納米材料可能的細(xì)胞毒性機(jī)制，各指標(biāo)之間存在著邏輯關(guān)系，因此在選擇生物指標(biāo)時(shí)要考慮其指向性和毒性機(jī)制的相關(guān)性，才能形成一套完整的毒理研究思路。

研究納米材料的復(fù)合毒性必然涉及到復(fù)合毒性和單獨(dú)毒性的對(duì)比，除了通過各項(xiàng)生物指標(biāo)響應(yīng)的程度對(duì)比外，還可以采用綜合生物指數(shù)法(integrated biomarker response, IBR)，對(duì)不同類型的生物指標(biāo)進(jìn)行歸一化和分值計(jì)算，通過分值對(duì)比，評(píng)價(jià)不同暴露條件的綜合脅迫程度的高低[18]。此外，判斷納米材料與污染物共存時(shí)的毒性機(jī)制是加和、拮抗或協(xié)同作用也是十分必要的，配合適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，相加指數(shù)法[19]和毒性單位圖解法[20]等都是廣泛應(yīng)用的計(jì)算判斷方法。

需要注意的是，生物在積累污染物的同時(shí)還可能會(huì)排出，并且具有一定的環(huán)境適應(yīng)和自我修復(fù)能力。有些生物損傷是不可逆轉(zhuǎn)的，也有些損傷能夠在一定程度上獲得修復(fù)，因此在評(píng)估污染物的生物毒性時(shí)，應(yīng)當(dāng)把生物自我修復(fù)功能納入考察因素，檢測(cè)凈化階段的生物指標(biāo)，從而避免低估毒性水平[22]。

3 納米材料與水環(huán)境污染物的復(fù)合毒性研究進(jìn)展(Research progress of combined toxicity of nanomaterial and aquatic pollutants)

近年來，關(guān)于納米材料與環(huán)境污染物復(fù)合毒性的研究受到廣泛的關(guān)注。大多數(shù)研究集中在納米材料與重金屬或有機(jī)污染物復(fù)合后對(duì)水生生物(如藻類、軟體動(dòng)物、魚類等)的毒性效應(yīng)，也有研究以細(xì)胞、微生物、哺乳動(dòng)物為受試生物，毒性終點(diǎn)主要為污染物生物積累、生物活性、代謝水平和基因水平等。

3.1 納米材料影響污染物生物累積

嚴(yán)格來講污染物的生物積累并不是生物毒性反應(yīng)，而是生物效應(yīng)的一種表現(xiàn)，但生物積累與生物毒性指標(biāo)之間存在相關(guān)性，這使得眾多研究都以生物積累作為一項(xiàng)毒性研究基礎(chǔ)。納米材料影響污染物的生物積累，主要是通過其強(qiáng)大的吸附作用實(shí)現(xiàn)的，納米材料富集與之共存的污染物，從而增強(qiáng)或抑制污染物的生物可利用性。

有些研究表明納米材料增加了重金屬在生物體內(nèi)的累積，例如在銅離子(Cu)溶液中加入表面修飾的單壁碳納米管(LPC-SWCNTs)使得Cu在大型蚤中的累積濃度升高，這可能是因?yàn)榇笮驮椴妒沉私Y(jié)合Cu的LPC-SWCNTs[23]。檢測(cè)暴露于納米二氧化鈦-砷(TiO2-As(V))復(fù)合體系中的鯉魚發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果，TiO2能夠顯著促進(jìn)鯉魚內(nèi)臟器官中As(V)的累積，并且進(jìn)一步推測(cè)出，在TiO2進(jìn)入鯉魚體內(nèi)后，吸附在TiO2上的As(V)可能被釋放后再吸收，或者隨TiO2的吸收被攜帶進(jìn)入器官中[24]。這些結(jié)果都說明對(duì)于特定的生物和暴露條件，有些納米材料會(huì)通過生物的捕食過程進(jìn)入體內(nèi)，因此它能作為重金屬的載體，促進(jìn)重金屬的生物積累。

與有機(jī)污染物共同暴露時(shí)，納米材料對(duì)其生物利用性造成的影響可能是促進(jìn)作用或者抑制作用。富勒烯(C60)能夠吸附水溶液中的菲和五氯苯酚，海藻和大型蚤暴露實(shí)驗(yàn)中，這種吸附作用分別增強(qiáng)和降低了菲和五氯苯酚的生物可利用性，進(jìn)而檢測(cè)生物存活率時(shí)，C60的加入增強(qiáng)了菲對(duì)海藻和大型蚤的毒性，卻抑制了五氯苯酚的毒性，這說明納米材料與不同有機(jī)污染物相互作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同的生物效應(yīng)。還有研究表明C60會(huì)降低有機(jī)氯農(nóng)藥在水溶液中自由溶解態(tài)的分布，但同時(shí)C60富集污染物后被青鳉魚吸收，從而對(duì)疏水性高或低的物質(zhì)產(chǎn)生了降低或增高生物累積的效應(yīng)，這進(jìn)一步說明了有機(jī)物的性質(zhì)差異會(huì)導(dǎo)致納米材料對(duì)其生物積累效應(yīng)產(chǎn)生不同的影響。受試體對(duì)納米材料的生物可利用性也是影響復(fù)合生物效應(yīng)的因素之一，例如：雌二醇的細(xì)胞暴露實(shí)驗(yàn)中，單壁碳納米管(SWCNT)的吸附固持作用降低了雌二醇的生物可利用性，而SWCNT能攜帶菲進(jìn)入青鳉魚體內(nèi)，并在體內(nèi)釋放菲促進(jìn)其在魚體內(nèi)的積累[28]。多壁碳納米管(MWCNT)會(huì)促進(jìn)五氯酚在鯉魚中的積累[29]，而納米TiO2可能通過促進(jìn)五氯苯酚轉(zhuǎn)化為四氯氫醌，從而降低了五氯苯酚在斑馬魚幼體中的積累量，這說明納米材料與有機(jī)污染物之間的相互作用也是污染物生物積累的影響因素。總之，納米材料能夠影響有機(jī)物生物積累效應(yīng)，其影響因素包括有機(jī)物的性質(zhì)、納米材料的生物可利用性以及納米材料與有機(jī)物的相互作用等。

多數(shù)學(xué)者在研究納米材料復(fù)合污染時(shí)會(huì)選擇納米材料與一種污染物復(fù)合的兩項(xiàng)體系，也有研究會(huì)關(guān)注納米材料同時(shí)與2種物質(zhì)復(fù)合的情況，例如納米材料與天然有機(jī)質(zhì)(NOM)同時(shí)共存時(shí)對(duì)重金屬的生物毒性效應(yīng)造成的影響。有研究表明納米TiO2-腐殖酸共存時(shí)會(huì)降低鎘離子(Cd)在斑馬魚體內(nèi)的積累速率，但納米TiO2或腐殖酸分別與Cd復(fù)合時(shí)會(huì)提高其積累速率；此外，納米TiO2-腐殖酸與Cd復(fù)合時(shí)Cd的平衡積累量與腐殖酸單獨(dú)復(fù)合相似，但低于納米TiO2單獨(dú)復(fù)合時(shí)的積累量。此外納米TiO2-NOM的復(fù)合體系會(huì)促進(jìn)Cu在大型蚤中的積累，進(jìn)而導(dǎo)致其體內(nèi)活性氧物質(zhì)(ROS)的增加，以及死亡率的上升[32]。

污染物的性質(zhì)、納米材料的生物有效性及二者之間的相互作用等因素都會(huì)影響污染物的生物可利用性，不同受試生物和暴露條件也會(huì)導(dǎo)致各研究結(jié)果之間存在差異，從而得出納米材料可能促進(jìn)或抑制污染物生物積累的結(jié)論。而生物累積是生物毒性表觀的指標(biāo)之一，也是復(fù)合污染生物毒性研究的基礎(chǔ)，其毒性機(jī)制需要通過更深層次的研究，為制定規(guī)范和安全管理提供更詳細(xì)的根據(jù)。

3.2 納米材料影響分子水平毒性指標(biāo)對(duì)污染物的響應(yīng)

為了深入探索納米材料的復(fù)合毒性機(jī)制，揭示復(fù)合毒性效應(yīng)的本質(zhì)，很多學(xué)者利用檢測(cè)生物分子水平指標(biāo)作為評(píng)價(jià)方法，其中主要包括酶類、激素等蛋白質(zhì)大分子的水平及RNA的表達(dá)水平等。

納米材料的復(fù)合污染增強(qiáng)污染物各項(xiàng)生物指標(biāo)響應(yīng)時(shí)，可能存在2種情況：第一，納米材料本身對(duì)生物不具有明顯的毒性，但其能促進(jìn)污染物生物積累或通過其他機(jī)制，增強(qiáng)污染物對(duì)生物的毒性效應(yīng)；第二，納米材料與污染物對(duì)同一生物指標(biāo)有相似的影響，二者的共存對(duì)特定的毒性效應(yīng)產(chǎn)生了放大的作用。

一些污染物對(duì)生物存在特定的毒性作用，納米材料與之復(fù)合后可能使該毒性作用增強(qiáng)，其作用機(jī)制包括促進(jìn)污染物積累、抑制解毒過程、影響基因表達(dá)等。例如，在實(shí)驗(yàn)條件下，納米TiO2對(duì)斑馬魚卵沒有明顯的毒性作用，但納米TiO2會(huì)增強(qiáng)BDE-209的生物毒性，這種效應(yīng)不僅體現(xiàn)在BDE-209生物累積的增強(qiáng)，還涉及到干擾甲狀腺激素水平及相關(guān)基因表達(dá)、神經(jīng)發(fā)育相關(guān)蛋白水平和基因表達(dá)以及孵化后運(yùn)動(dòng)行為方面。類似地，在納米TiO2安全暴露濃度條件下的情況還有：增加了Cu在大型蚤內(nèi)的積累量，并且納米TiO2與Cu存在競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，從而抑制了金屬硫蛋白的解毒作用[34]；促進(jìn)了雙酚A在斑馬魚中的積累，進(jìn)而增強(qiáng)了雙酚A的雌激素干擾效應(yīng)和生殖毒性[35]。納米TiO2與鉛離子(Pb)復(fù)合暴露時(shí)，會(huì)增強(qiáng)Pb對(duì)斑馬魚幼魚的毒性，主要表現(xiàn)在增強(qiáng)Pb的積累、甲狀腺激素及相關(guān)基因表達(dá)和神經(jīng)系統(tǒng)的干擾。納米ZnO與全氟辛烷磺酸類物質(zhì)復(fù)合暴露斑馬魚時(shí)，發(fā)現(xiàn)與二者單獨(dú)暴露相比，復(fù)合暴露對(duì)斑馬魚甲狀腺激素量及其相關(guān)基因表達(dá)水平造成了更嚴(yán)重的干擾作用[37]。

大多數(shù)污染物和納米材料對(duì)生物體存在相同的刺激作用，許多研究會(huì)通過檢測(cè)一些普適指標(biāo)(如氧化應(yīng)激、DNA損傷等)，對(duì)比復(fù)合暴露和單獨(dú)暴露對(duì)生物造成的脅迫作用，從而評(píng)估復(fù)合暴露的生物毒性。例如，納米材料本身具備降低細(xì)胞活性[38]、引起氧化應(yīng)激[39]和DNA損傷[40]，重金屬、多溴聯(lián)苯、有機(jī)氯等污染物也存在類似的毒性作用，因此納米材料與污染物復(fù)合作用于生物體時(shí)，可能會(huì)增強(qiáng)這些共有毒性。C60能促進(jìn)苯并芘在斑馬魚肝細(xì)胞中的積累，并且復(fù)合暴露顯著降低了細(xì)胞活性以及損害了II期酶谷胱甘肽巰基轉(zhuǎn)移酶(GST)的解毒響應(yīng)。羥基MWCNT促進(jìn)了Cd在金魚肝中的積累，并且復(fù)合暴露造成了更嚴(yán)重的氧化應(yīng)激效應(yīng)，其中包括抑制抗氧化酶超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)和谷胱甘肽過氧化物酶(GPx)的活性，降低谷胱甘肽(GSH)的水平以及增強(qiáng)了脂質(zhì)過氧化程度[45]。SWCNT雖然抑制了全氟辛烷磺酸類物質(zhì)在斑馬魚內(nèi)臟器官中的積累，但復(fù)合暴露卻增強(qiáng)了氧化應(yīng)激響應(yīng)，增加ROS水平，抑制抗氧化酶SOD和CAT以及乙酰膽堿酯酶(AChE)活性[46]。納米SiO2促進(jìn)了有機(jī)汞對(duì)人肺上皮細(xì)胞(A549)造成的損傷，復(fù)合暴露增加了ROS的產(chǎn)生，抑制了抗氧化酶SOD和GPx活性，這些更嚴(yán)重的氧化應(yīng)激反應(yīng)最終導(dǎo)致了更強(qiáng)的脂質(zhì)過氧化反應(yīng)、DNA損傷和細(xì)胞凋亡。

3.3 共存物質(zhì)影響納米材料自身毒性

納米材料能夠影響共存物質(zhì)的生物積累和生物毒性，此外有些物質(zhì)與納米材料共存時(shí)會(huì)影響納米材料自身的毒性。NOM雖然不是環(huán)境污染物，但也具有危害生態(tài)環(huán)境和人類健康的性質(zhì)，例如NOM在水廠消毒過程中會(huì)被氯化生成致癌物[48]，并且腐殖酸會(huì)絡(luò)合飲用水中的微量金屬元素，破壞人體的吸收[49]。NOM可能與納米材料結(jié)合后產(chǎn)生一種“面具效應(yīng)”，造成納米材料表面性質(zhì)的改變，從而影響其生物毒性效應(yīng)[50]。

與地表水和污水處理廠出水中NOM共存時(shí)，NOM吸附在量子點(diǎn)(quantum dots)表面從而形成一層外殼，阻礙了大型蚤對(duì)量子點(diǎn)的生物累積，緩解了量子點(diǎn)的生物毒性，且這種作用隨NOM疏水性上升而增強(qiáng)[51]。培養(yǎng)細(xì)菌暴露于納米Ag時(shí)，培養(yǎng)基內(nèi)加入腐殖酸會(huì)使毒性緩解，可能是因?yàn)楦乘峤Y(jié)合納米Ag后在其表面形成了一層物理屏障，或者表面的靜電斥力阻止了納米Ag與細(xì)菌的接觸[52]。同樣因?yàn)殪o電斥力，聚合電解質(zhì)和天然有機(jī)質(zhì)富集在納米零價(jià)鐵上，會(huì)減少納米零價(jià)鐵與大腸桿菌的接觸，從而降低了其生物毒性作用[53]；而納米零價(jià)鐵在原位修復(fù)的應(yīng)用中，天然有機(jī)質(zhì)雖然減緩了納米零價(jià)鐵的生物毒性，有利于修復(fù)的生物作用過程，但卻降低了納米零價(jià)鐵對(duì)目標(biāo)污染物的降解效果。

基于以上研究，污染物吸附在納米材料表面改變了納米材料的表面性質(zhì)，從而阻礙了納米材料與生物的接觸，最終影響了納米材料的生物效應(yīng)。而這種作用在納米材料的應(yīng)用過程中表現(xiàn)為2個(gè)方面：生物毒性的降低，減輕環(huán)境危害；降低生物修復(fù)或殺菌效果，影響使用價(jià)值。納米材料是人類生產(chǎn)生活過程中的雙刃劍，要根據(jù)實(shí)際需要恰當(dāng)?shù)剡x擇與其他物質(zhì)復(fù)合的過程，避免危害生態(tài)環(huán)境，發(fā)揮納米材料利于人類發(fā)展的價(jià)值。

這些納米復(fù)合污染生物毒性的研究成果表明，納米材料會(huì)與其他污染物發(fā)生相互作用從而影響其環(huán)境效應(yīng)，多體現(xiàn)在納米材料對(duì)污染物的吸附作用改變了污染物的環(huán)境分布、生物有效性及生物毒性；此外，納米材料表面結(jié)合共存物質(zhì)可能改變納米材料的表面性質(zhì)而影響其環(huán)境行為。

4 結(jié)語(yǔ)(Conclusion)

目前為止，對(duì)于納米材料自身的毒性以及與其他污染物的復(fù)合毒性已有了很多研究，但這些成果的毒性指示終點(diǎn)多數(shù)集中在生物積累層面以及氧化應(yīng)激等基礎(chǔ)生化指標(biāo)，對(duì)特定的生物毒性(如神經(jīng)毒性、生殖毒性和遺傳毒性等)研究較少，缺乏深層的毒理研究，對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)價(jià)復(fù)合污染的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)尚顯不足。綜合考慮納米材料的理化性質(zhì)、污染物的性質(zhì)、環(huán)境條件參數(shù)和生物習(xí)性，探討納米材料與污染物之間的相互作用，結(jié)合典型的生物指標(biāo)，是準(zhǔn)確評(píng)估納米復(fù)合污染的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，以及預(yù)防納米材料產(chǎn)生潛在毒性的基礎(chǔ)。而只有在掌握了納米復(fù)合污染毒性的綜合信息時(shí)，才能制定有效的措施，確保納米技術(shù)安全高效的使用。